一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型的制作方法

本发明涉及光路设计技术领域，具体为一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型。

背景技术：

红外连续变焦热像仪是一种焦距可连续变化、而像面位置保持稳定并且在变焦过程中像质保持良好的成像系统。定焦红外热像仪在像面上欲得到不同大小的像，必须改变目标物体与镜头之间的距离或更换不同焦距的镜头。而红外连续变焦热像仪可以连续改变系统焦距，因此，可以在像面上得到连续改变大小的目标像，对于光电探测及侦察、跟踪等都非常有利。在航空侦察、电力、消防、工业、安防等军民两用领域应用非常广泛。

由于高性能红外热像仪通常采用制冷型探测器，冷反射效应是制冷型探测器的固有现象，因此在系统设计时要充分考虑冷反射效应对光学系统成像的影响，否则冷反射会对成像效果产生严重影响，导致系统不能正常使用。

国内外红外连续变焦成像光学系统的实现方式，一般由前固定透镜组、变倍透镜组、补偿透镜组、后固定透镜组组成，并采用轴向变倍方式。该光路构型所有视场共用同一个物镜作为接收窗口。这种构型在设计时，共用物镜的冷反射强度对不同视场的贡献是不同的，设计中难以同时兼顾所有视场的冷反射强度达到系统的容度，通常会造成宽视场冷反射效应严重、难以消除，严重影响宽视场的成像质量及观察效果。而对于光电探测系统，根据使用需求又通常需要红外成像系统具备小视场探测、识别和宽视场大范围搜索能力，这就要求必须想方设法改善或减弱冷反射的强度。

目前，国内外通常采取电校正的方法来改善或减弱冷反射的强度，弥补或减弱其对图像的不良影响，但这种方法会造成系统动态范围的减小，损失系统灵敏度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型，消除冷像对光学系统的影响，能够使各个光学视场同时具有高的成像质量及效果。

本发明的技术方案为：

所述一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型，其特征在于：由前组中空物镜(1)、变倍透镜组(2)、补偿透镜组(3)、固定透镜组(4)、会聚透镜组(5)、探测器(6)组成；采用长焦段与短焦段分段连续变焦方式，其中长焦段连续变焦时前组中空物镜(1)、变倍透镜组(2)、补偿透镜组(3)、固定透镜组(4)、会聚透镜组(5)、探测器(6)均在光路中；当短焦段连续变焦时，变倍透镜组(2)、补偿透镜组(3)、固定透镜组(4)、会聚透镜组(5)、探测器(6)处于光路中；变倍透镜组(2)、补偿透镜组(3)能够沿轴向移动，长焦段焦距变化范围为300mm～480mm、短焦段焦距变化范围为12.867mm～34mm。

进一步的优选方案，所述一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型，其特征在于：所述光学系统采用二次成像方式，其中长焦段连续变焦光学系统F数为3，短焦段连续变焦光学系统F数为4；适用波长为中波3μm～5μm、长波8μm～12μm。

进一步的优选方案，所述一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型，其特征在于：探测器(6)为像素数320×256、像素大小30μm的制冷红外焦平面探测器。

进一步的优选方案，所述一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型，其特征在于：

前组中空物镜(1)的入射面半径231.1mm，出射面半径403.5mm，中心厚度15mm；材料采用单晶硅；

变倍透镜组(2)的入射面半径-139.65mm，出射面为非球面，半径352.0mm，中心厚度4mm；材料采用单晶锗；变倍透镜组(2)的入射面与前组中空物镜(1)出射面的间隔为长焦段长焦端140mm，长焦段短焦端132.4mm，短焦段长焦端108.6mm，短焦段短焦端20mm；

补偿透镜组(3)的入射面为非球面，半径314.6mm，出射面半径-151.5mm，中心厚度7.2mm；材料采用单晶硅；补偿透镜组(3)的入射面与变倍透镜组(2)出射面的间隔为长焦段长焦端4mm，长焦段短焦端21.6mm，短焦段长焦端73.6mm，短焦段短焦端179mm；

固定透镜组(4)沿光路由固定透镜(4-1)、固定透镜(4-2)、固定透镜(4-3)组成；材料采用单晶锗；固定透镜(4-1)的入射面半径-198.43mm，出射面半径1300mm，中心厚度4mm；固定透镜(4-1)的入射面与补偿透镜组(3)出射面的间隔为长焦段长焦端52mm，长焦段短焦端42mm，短焦段长焦端28.8mm，短焦段短焦端12mm；固定透镜(4-2)的入射面为非球面，半径-32.73mm，出射面半径-32.07mm，中心厚度7mm；固定透镜(4-2)入射面与固定透镜(4-1)出射面的间隔为114mm；固定透镜(4-3)的入射面为非球面，半径-42.58mm，出射面半径-42.75mm，中心厚度4mm；固定透镜(4-3)入射面与固定透镜(4-2)出射面的间隔为3.3mm；

会聚透镜组(5)沿光路由会聚透镜(5-1)、会聚透镜(5-2)组成；会聚透镜(5-1)的入射面半径-18.55mm，出射面半径-344.88mm，中心厚度7mm；材料采用硫化锌；会聚透镜(5-1)入射面与固定透镜(4-3)出射面的间隔为51.3mm；会聚透镜(5-2)的入射面为非球面，半径48.11mm，出射面半径-54.05mm，中心厚度4.2mm；材料采用单晶硅；会聚透镜(5-2)入射面与会聚透镜(5-1)出射面的间隔为2mm；

会聚透镜(5-2)出射面与探测器(6)焦平面间隔为7mm。

有益效果

本发明的优点为：

1 无冷像：

采用前组中空物镜的形式把连续变焦光学系统长焦段与短焦段光路分离，从光路构型上消除了冷反射效应对短焦段光学系统成像质量的影响。

2 成像质量优：

由于消除了冷像对成像光学系统的影响，扩大了成像系统的动态范围，图像质量优良，并且由于前组物镜采用中空物镜的形式，使得光学系统优化时限制减少，更易得到优良像质。

3 透过率高：

由于前组物镜采用中空物镜的形式，使得连续变焦光学系统短焦段的透镜数量减少，透过率得到了提高。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有红外连续变焦光学系统窄视场光路示意图，

图2为现有红外连续变焦光学系统宽视场光路示意图，

图3本发明红外连续变焦光学系统长焦段长焦端光路示意图，

图4本发明红外连续变焦光学系统长焦段短焦端光路示意图，

图5本发明红外连续变焦光学系统短焦段长焦端光路示意图，

图6本发明红外连续变焦光学系统短焦段短焦端光路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的目的是提供一种消除红外连续变焦光学系统冷像的光路构型，消除冷像对光学系统的影响，能够使各个光学视场同时具有高的成像质量及效果。

光学系统采用长焦段与短焦段分段连续变焦的方式，并采用前组中空物镜的构型使光学系统长焦段与短焦段的光路分离，在实现红外大变倍比连续变焦光学系统的同时，有效的抑制了光学系统短焦段的冷反射，光学系统在整个变焦过程图像保持清晰，获得优良像质。

长焦段连续变焦光学系统以前组中空物镜1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、会聚透镜组5、探测器6组成；当变倍透镜组2、补偿透镜组3处于图示A1B1位置时，前组中空物镜1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、会聚透镜组5、探测器6构成长焦段连续变焦光学系统长焦端光学系统光路；当变倍透镜组2、补偿透镜组3沿轴向移动，处于图示A2B2位置时，前组中空物镜1、变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、会聚透镜组5、探测器6构成长焦段连续变焦光学系统短焦端光学系统光路。

短焦段连续变焦光学系统以变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、会聚透镜组5、探测器6组成；当变倍透镜组2、补偿透镜组3沿轴向移动，处于图示A3B3位置时，变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、会聚透镜组5、探测器6构成短焦段连续变焦光学系统长焦端光学系统光路；当变倍透镜组2、补偿透镜组3沿轴向移动，处于图示A4B4位置时，变倍透镜组2、补偿透镜组3、固定透镜组4、会聚透镜组5、探测器6构成短焦段连续变焦光学系统短焦端光学系统光路。

采用前组中空物镜1的构型使光学系统长焦段与短焦段的光路分离从光路构型上消除了冷反射效应对系统的影响，该构型能有效地解决冷像对短焦段成像质量的影响，在整个变焦过程中图像始终保持清晰，有效地保证了整个变焦过程的成像质量。

长焦段焦距变化范围为300mm～480mm、短焦段焦距变化范围为12.867mm～34mm，变倍比37倍；系统采用二次成像的方式；长焦段F数为3、短焦段F数为4。适用的探测器为像素数320×256、像素大小30μm的制冷红外焦平面探测器，适用波长：中波3μm～5μm、长波8μm～12μm。

具体光学参数见下表所示。为了提高各视差的成像质量，光路中加入了部分非球面参与像差平衡。

光学参数表(单位：mm)

本发明光学系统采用长焦段与短焦段分段连续变焦的方法，并采用前组中空物镜的构型使光学系统长焦段与短焦段的光路分离，在实现红外大变倍比连续变焦光学系统的同时，有效的抑制了光学系统短焦段的冷反射，光学系统在整个变焦过程图像保持清晰，获得优良像质。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。